王春范

(遼寧省第十地質大隊，遼寧 撫順 113004)

1 引 言

地形剖面圖(profile of topography)，是以垂直于地表面的截面切割地面，以反映地面起伏曲線的圖形[1]。是道路、管線、勘探等工程設計的基礎文件之一[2]，在工程設計領域有著廣泛的應用。盡管數(shù)字化基礎地理信息成果已經(jīng)逐步普及，多數(shù)GIS軟件也具有剖面自動生成的功能，但是，由于以下兩方面的主要原因，GIS環(huán)境下的地形剖面圖制作，存在許多問題有待探討。

首先，所有具有剖面制作功能的GIS軟件，均是以DEM數(shù)據(jù)為基礎而完成的，而常規(guī)DEM數(shù)據(jù)多是以原始DLG數(shù)據(jù)為基礎生成的，用DLG數(shù)據(jù)生成DEM數(shù)據(jù)時，必然疊加上DEM數(shù)據(jù)構建過程所產(chǎn)生的誤差，同時也會將部分地形特征信息丟失；其次，現(xiàn)行的通用GIS軟件，均只具備自動生成簡單地形剖面線的功能，并不能同時生成剖面圖中的平面投影圖要素，使其難以實用于工程設計。

本文在實際工作中，探索了一套以原始數(shù)字線劃圖DLG數(shù)據(jù)為基礎，在ArcGIS環(huán)境下制作地形剖面圖的方法，現(xiàn)介紹給同行們以供參考。

2 剖面圖地理要素創(chuàng)建及轉換處理

剖面圖中的地理要素包括兩方面的內(nèi)容，一是反映高程信息的剖面地形線；二是反映平面位置信息的剖面投影平面圖，在數(shù)字化制圖環(huán)境中，可以將剖面投影平面圖中要求反映的平面坐標格網(wǎng)線當作一般線要素看待來進行處理。這些要素在GIS環(huán)境中，以系統(tǒng)平臺定義的坐標系統(tǒng)表達要素的平面位置信息，要素的高程信息則儲存在與要素相關的屬性表中。而在剖面圖中，剖面地形線是以高程為縱向參考，以距離剖面起始端點的水平投影距離為橫向參考來作為制圖表達；在剖面投影平面圖中，是以剖面起始端點為原點，以2個剖面端點所確定的空間線段在水平面上的投影線為橫軸建立起投影平面圖的制圖參考系。這就需要建立剖面圖制圖參考框架，并據(jù)此構造出DLG環(huán)境下平面直角坐標系及高程系統(tǒng)與剖面圖制圖參考框架的轉換數(shù)學模型，以實現(xiàn)剖面圖地理要素在GIS環(huán)境下的自動轉換與編輯制作。

2.1 地形剖面圖制圖參考框架的定義

根據(jù)地形剖面圖的實際特性，需要分別對應地形剖面線圖和水平投影圖建立兩套既有區(qū)別又有聯(lián)系的制圖參考框架。

圖1 剖面圖制圖參考框架示意圖

(1)地形剖面線制圖參考框架

地形剖面線(profile line of topography)，是地表面與沿剖面線方向鉛垂剖切面的交線[3]，是地形剖面圖中的核心地理要素。它的制圖參考框架定義為：

如圖1所示，以地形剖面線起始端點A為原點，以此原點與剖面線終止端點B連線為水平軸，其長度單位與剖面線水平投影長度S相同；以過原點的鉛垂線為縱軸，長度單位與剖面線高程H值相同。

(2)剖面投影平面圖制圖參考框架

剖面投影平面圖(profile projection of plan)，繪制在剖面圖的下方，用以反映剖面線上及其兩側一定區(qū)域內(nèi)的地物、地貌、地質現(xiàn)象、勘探工程等要素分布情況的帶狀平面圖。其制圖參考框架定義為：

在與原地形圖相同的水平投影面上，以地形剖面線起始端點A為原點，以此原點與剖面線終止端點B的連線為水平軸，以過原點A且與水平軸AB相垂直的線為縱軸，兩軸的長度單位與剖面線水平投影長度S相同。

由以上定義可知，兩種制圖參考框架之間既有區(qū)別又有聯(lián)系，它們分別位于兩個不同的投影面上，投影方向相互垂直，但共同以投影到水平面上的地形剖面線為橫軸，且在該橫軸上的長度單位相同，這樣就將地形剖面線圖和剖面投影平面圖各自所在投影面聯(lián)系了起來。

2.2 剖面點數(shù)據(jù)處理

(1)圖形文件準備

剖面點(profile point)，位于剖面線上的項目工程點、地質點、地物點、地貌點的總稱，是繪制地形剖面線的依據(jù)。在剖面點數(shù)據(jù)采集之前，須在ArcCatolog環(huán)境下建立用以存儲剖面點數(shù)據(jù)的shapefile，要求其屬性表具有表1列出的字段。

剖面點屬性表 表1

(2)剖面點要素創(chuàng)建

在ArcMap環(huán)境下打開相關的DLG數(shù)據(jù)文件，包括剖面線文件和新建的剖面點文件，并將剖面點文件設置為可編輯狀態(tài)。

如圖2(a)所示，由剖面起始點開始，根據(jù)剖面圖測繪的相關要求，沿著剖面線創(chuàng)建剖面點，經(jīng)圖面內(nèi)插或讀取原有要素高程屬性值等方法確定剖面點位高程值，同時輸入到屬性表中。

圖2剖面點數(shù)據(jù)處理及成圖

剖面點要素編輯完成并保存后，下一步需要在其屬性表環(huán)境下提取剖面點在地圖窗口下的X、Y坐標值，用X、Y值計算各剖面點與剖面起始點A之間的水平距離。具體操作如下：

①在ArcMap的“內(nèi)容列表”窗口中，選擇剖面點要素類文件并打開其屬性表。

②利用ArcGIS系統(tǒng)提供的屬性表字段“計算幾何”功能，提取剖面點的x、y坐標值，并填充到屬性表的X列和Y列；利用系統(tǒng)的“字段計算器”功能，用屬性表的X列和Y列數(shù)值及兩點間距離計算公式，求取各剖面點至剖面起始端點A的水平距離并存入屬性表S列。具體操作如圖3所示。

③在屬性表的“表選項”菜單中選擇“導出新表”項，導出一個新表，并將其添加到當前地圖窗口的內(nèi)容列表中。系統(tǒng)會自動賦給新表一個默認的文件名Export_Output_1。

④在剖圖制圖框架下生成剖面點圖形。在內(nèi)容列表窗口中右擊新表Export_Output_1打開功能菜單，選擇“顯示xy數(shù)據(jù)”選項，彈出如圖4所示的選項窗口，選擇新表Export_Output_1的S列作x軸，H列作y軸，單擊“確定”按鈕，便會在我們定義的地形剖面線制圖框架內(nèi)創(chuàng)建出顯示剖面線高低起伏特性的點要素圖形，如圖4所示。

圖3 ArcGIS字段計算器窗口

圖4 ArcGIS“顯示xy數(shù)據(jù)”選項窗口

2.3 地形剖面線繪制

在此之前，須在ArcCatolog環(huán)境下建立一個用以存儲地形剖面線數(shù)據(jù)的shapefile。將該文件添加到當前地圖窗口中，并設置為可編輯狀態(tài)。用線要素構造器繪制編輯地形剖面線圖形，先由剖面端點A開始，用折線順次逐個連接全部剖面點要素，到剖面端點B結束，再用ArcMap“高級編輯”中的“平滑”功能選項，將該折線處理成平滑曲線，地形剖面線制作完成。如圖5所示。

圖5 地形剖面圖繪制示意圖

2.4 剖面投影平面圖的制作

剖面投影平面圖制作的基本思路是：根據(jù)平面圖要求的范圍，利用Arctoolbox中的“裁剪”工具，在DLG平面直角坐標系中，對要求在投影平面圖中表達的要素進行裁剪處理；利用ArcMap環(huán)境所帶的“空間校正”工具，將平面直角坐標系下的圖形要素轉換至剖面圖制圖框架中，再經(jīng)取舍、編輯處理后完成投影平面圖的制作。這里需要說明的一點是，有的行業(yè)規(guī)范要求在剖面投影平面圖中繪制高斯投影平面直角縱橫坐標線，稱X線和Y線，按照傳統(tǒng)的手工制圖模式，這項工作需要進行煩瑣的計算和展繪。而在本文介紹的方法中，可將坐標格網(wǎng)當作一般地理要素類看待，與其他地理要素一同進行裁剪、轉換處理得到。

對于要素類裁剪步驟，此處不做介紹，僅對數(shù)據(jù)轉換介紹如下。

如圖2(b)所示，為經(jīng)裁剪處理后的地形圖窗口，位于此圖中央的A—B線段為地形剖面線在高斯—克呂格投影面上的水平投影圖，縱橫垂直交叉的格網(wǎng)線是平面直角坐標系的X、Y坐標方里網(wǎng)線，其他要素是剖面投影平面圖要求繪制的內(nèi)容。

將圖2(b)所示的內(nèi)容，從地形圖所在的高斯平面直角坐標系轉換到地形剖面圖的制圖參考框架中，以滿足剖面投影平面投影圖制作的需要。其基本做法是：以剖面線起始點A和終點B的平面直角坐標為源數(shù)據(jù)，以A、B兩點在制圖參考框架中的縱橫相對距離為目標數(shù)據(jù)，利用ArcMap所帶的“空間校正”功能模塊完成圖形數(shù)據(jù)的轉換。在具體的轉換操作中，轉換目標的具體位置由預先設定的A、B兩點在制圖參考框架中的數(shù)據(jù)確定。這里有兩點具體要求：一是A、B兩點與地形剖面線的起、止端點必須對齊，即橫向參考數(shù)據(jù)相等；二是A、B兩點的縱向制圖參考數(shù)據(jù)，確定了投影平面圖在整體剖面圖中的圖面位置，要求投影平面圖與地形剖面線圖之間的相對關系須滿足相關規(guī)范要求。因此，數(shù)據(jù)轉換前需要進行必要的制圖設計計算。轉換后的結果如圖2(c)所示。

2.5 剖面圖輔助要素制作

一幅完整的地形剖面圖，應該包括地理要素、數(shù)學要素、專題要素和輔助要素等4方面內(nèi)容。本文介紹了地理要素和部分數(shù)學要素(X、Y線)的制作，如果專題要素已經(jīng)在地形圖中創(chuàng)建，則可將其當作一般地理要素轉換到剖面圖中，對于圖廓、注記、圖簽等輔助要素，可依據(jù)規(guī)范按照一般制圖要求完成，本文不做具體介紹。

3 結 語

本文介紹了一套以數(shù)字線劃圖(DLG)為基礎數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件系統(tǒng)所具有的圖、表操作功能制作地形剖面圖的方法。

(1)定義了地形剖面圖制圖參考框架；

(2)介紹了在ArcGIS環(huán)境下，地形剖面線的創(chuàng)建以及投影平面圖地理要素和數(shù)學要素的轉換方法；

(3)經(jīng)轉換生成剖面圖地理要素，具有屬性數(shù)據(jù)，可以保留其在DLG環(huán)境中的原有屬性數(shù)據(jù)，還可根據(jù)需要擴充新的屬性項，這為地形剖面圖空間數(shù)據(jù)庫的建立創(chuàng)造了條件。

致謝：本文在完成過程中得到撫順市勘察測繪院總工程師趙廣信的幫助，在此深表謝意！